1.1 Motivation
Wir Menschen leben heute in einer globalen Welt. In dieser globalen Welt besteht die Not-wendigkeit für viele Menschen mit dem Verkehrsmittel „Flugzeug“ zu Reisen, um im harten wirtschaftlichen Wettbewerb bestehen zu können.
Aus den aktuellen Wachstumsraten des internationalen Passagiertransports und Luftfracht-transports lässt sich ableiten, dass diese Art des Transports kontinuierlich mit der globalen Wirtschaft wächst. Dieses anhaltende Wachstum rückte in den letzten Jahren die Frage, in-wieweit der Luftverkehr zur Schadstoffbelastung der Luft beiträgt, immer mehr in den Mittel-punkt. Wie jede Beförderung von Person und Gütern ist auch der Luftverkehr mit Umwelt-auswirkungen verbunden. Verkehr beansprucht Flächen, verbraucht Rohstoffe und verursacht Lärm und Abgase. Doch wird das Thema Flugverkehr und die damit verbundenen Emissionen häufig überschätzt oder ist der Einfluss des Flugverkehrs auf die Atmosphäre wirklich bedeu-tend hoch?
„Einerseits belastet der Flugverkehr die Umwelt und das Klima und anderseits ist er von großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung“ (Schumann 1999).
Die Tatsache, dass durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe Schadstoffe entstehen, die zur Klimaerwärmung beitragen, überträgt der Politik und den Technikern einen erheblichen Hand-lungsbedarf. Gerade die Luftfahrt sollte als eine technologieführende, internationale Branche in die Verantwortung genommen werden, bzw. selbst ihre Verantwortung erkennen.
Die Globalisierung und besonders die wirtschaftliche Entwicklung im asiatischen Raum wird in Zukunft nach weiteren Transportkapazitäten verlangen. Bei den technischen Möglichkeiten zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der schädlichen Emissionen ist für die heuti-gen kerosinbetriebenen Hochbypass-Triebwerke und konventionellen Flugzeugkonfiguratio-nen bereits eine hohe Sättigung erreicht. Somit besteht die Notwendigkeit ein Luftfahrzeug für die Zukunft zu entwickeln, das es den Airlines erlaubt, Passagiere und Fracht noch effizienter und unter stetig strenger werdenden Umweltgesichtspunkten zu befördern. Genau an diesem Punkt setzt diese Projektarbeit im Rahmen des Forschungsprojektes „Grüner Frachter - Entwurfsuntersuchungen zu umweltfreundlichen und kosteneffektiven Frachtflugzeugen mit unkonventioneller Konfiguration“ an.
1.2 Begriffsdefinitionen
EMAS
Der Begriff der EMAS, Eco-Management and Audit Scheme, wird nach dem Umweltgutach-terausschuss folgendermaßen definiert (UGA 2007):
Das Gemeinschaftssystem für das freiwillige Umweltmanagement und die Umweltbetriebsprüfung (Eco-Management and Audit Scheme, EMAS) ist ein von den Europäischen Gemeinschaften 1993 entwickeltes Instrument für Unternehmen, die ihre Umweltleistung verbessern wollen. Rechts-grundlage ist die Verordnung (EG) Nr. 761/2001. Der Aufbau eines UMS und die Abläufe ent-sprechen seit 2001 auch bei EMAS der ISO 1400.
ISO 14001
Die internationale Umweltmanagementnorm ISO 14001 legt weltweit anerkannte Anforde-rungen an ein Umweltmanagementsystem fest und ist Teil einer Normenfamilie. Diese Nor-menfamilie beinhaltet zahlreiche weitere Normen zu verschiedenen Bereichen des Umwelt-managements, u. a. zu Ökobilanzen, zu Umweltkennzahlen bzw. zur Umweltleistungsbewer-tung. Sie kann sowohl auf produzierende als auch auf dienstleistende Unternehmen angewen-det werden.
Die ISO 14001 legt einen Schwerpunkt auf einen Kontinuierlichen Verbesserungsprozess als Mittel zur Erreichung der jeweils definierten Zielsetzung in Bezug auf die Umweltleistung einer Organisation (Unternehmen, Dienstleister, Behörde, etc.). Der kontinuierliche Verbesse-rungsprozess beruht auf der Methode Planen-Ausführen-Kontrollieren-Optimieren:
Planen: Festlegung der Zielsetzungen und Prozesse, um die Umsetzung der Umwelt-politik der Organisation zu erreichen
Ausführen: die Umsetzung der Prozesse
Kontrollieren: Überwachung der Prozesse hinsichtlich rechtlichen und anderen An-forderungen sowie Zielen der Umweltpolitik der Organisation. Gegebenenfalls Veröf-fentlichung der Umweltleistung
Optimieren: Falls notwendig müssen die Prozesse korrigiert werden. Hierzu soll ein Unternehmen eine betriebliche Umweltpolitik, Umweltziele und ein Umweltpro-gramm festlegen sowie ein entsprechendes Managementsystem aufbauen, das bei der Zielerreichung hilft.
VISION 2020
Luftfahrtbeteiligte Ministerien, die Europäische Kommission, Flugzeug- und Triebwerksher-steller und Ausrüster, sowie natürlich Forschungseinrichtungen haben sich 2001 zu einer eu-ropäischen Initiative „Vision 2020“ zusammengeschlossen. Diese Initiative hat eine Vision für den europäischen Luftverkehr im Jahr 2020 entworfen und die zu erwartenden Anforde-rungen konkret formuliert. Um aus diesen Anforderungen wiederum direkt
Forschungspro-gramme abzuleiten, wurde auf europäischer Ebene das „Advisory Council for Aeronautic Research in Europe“ (ACARE) eingesetzt. Die Hauptziele der „Vision 2020“ lauten:
Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen um 50%
Reduktion der Stickoxid-Emissionen um 80%
Reduktion des wahrgenommenen Lärms um 50 %
Reduktion der Emissionen während der Produktion und Wartung Ermittlung von Entsorgungs- und Recyclingverfahren
Reduzierung der Kosten des Luftverkehrs um 30%
Reduktion der Unfallrate um 80%
1.3 Ziel der Arbeit
Diese Projektarbeit soll dem Leser eine gute Übersicht über den sehr großen Bereich der Um-weltaspekte in der Luftfahrt geben. Die aktuellen Klimadiskussionen belegen, dass das Thema Umweltschutz und die Verringerung des weltweiten CO2 Ausstoßes in der Zukunft immer wichtiger wird. Der Leser soll in dieser Arbeit über die Geschichte der Luftfahrt und dem daraus resultieren Wachstum an die Umweltprobleme der Luftfahrt herangeführt werden. Ziel dieser Projektarbeit ist es, die Entwicklung der Luftfahrt darzustellen, die Emissionen zu be-nennen, Zusammenhänge zu erläutern und Ergebnisse und Ziele aus internationalen Pro-grammen zusammenzutragen, um das Forschungsprojekt „Grüner Frachter“ zu unterstützen.
Das Projekt „Grüner Frachter“ hat das Ziel, konventionelle and unkonventionelle Frachtflug-zeugkonfigurationen zu erforschen. Die Untersuchungen basieren auf einem angenommenen Jahr der Indienststellung um 2025. Im Mittelpunkt stehen umweltfreundliche Flugzeuge mit ökonomi-schem Flugbetrieb. Das schließt folgende technische Aspekte ein (Scholz 2007):
geringer Kraftstoffverbrauch
zukünftige Kraftstoffarten (LH2, LPG, synthetische Kraftstoffe, ...) geringer Fluglärm (Nachtflug)
geringe Emissionen (CO2, NOx, ...)
geringe Betriebskosten auch durch reduzierte Besatzung (pilotenloser Flug)
1.4 Aufbau der Arbeit
Durch den Verlauf der Projektarbeit sollen zunächst die nötigen Grundkenntnisse und Hinter-gründe, wie zum Beispiel die Entwicklung des Luftverkehrs, vermittelt werden, bevor die Umweltaspekte der Luftfahrt und die verschiedenen Methoden zur Quantifizierung erläutert werden.
• Die Einbeziehung von einigen Umweltvorschriften, Gesetzen und internationalen Zielen soll helfen, die Anforderungen an zukünftige Flugzeugkonfigurationen abzuleiten. Im Laufe der Arbeit wird eine Verknüpfung zwischen den Gesetzen, technischen Möglichkei-ten und der Umsetzung vollzogen.
• Die Literaturübersicht stellt die wichtigsten Quellen zum Projektthema dar, welche weite-re Detail- und Hintergrundinformationen liefern können.
• Der Hauptteil dieser Schrift enthält die Ausführungen zum Thema:
Abschnitt 2 beschreibt die Entwicklung des Luftverkehrs und geht dabei detailliert auf die Entwicklung der Fracht und Passagierflüge weltweit und in Deutschland ein.
Abschnitt 3 behandelt die Einflüsse des Luftverkehrs auf die Umwelt im Reiseflug.
Abschnitt 4 widmet sich den Umwelteinflüssen der Lärmemissionen des Luftverkehrs im Flughafennahbereich, wobei die Lärmquellen, die Auswirkungen, Maß-nahmen zu Minderung des Lärms und das novellierte Lärmgesetz angespro-chen werden.
Abschnitt 5 behandelt den Umwelteinfluss der Schadstoffemissionen im Nahbereich von Flughäfen, wobei die Schadstoffquellen, die Auswirkungen und Maßnah-men zu Minderung der Emissionen angesprochen, sowie Möglichkeiten im Detail genannt werden.
Abschnitt 6 beschreibt die angewandten Messverfahren zur Quantifizierung der Um-weltbelastungen.
Abschnitt 7 erläutert verschiedene Möglichkeiten und Ansätze, um den Flugbetrieb um-weltverträglich zu gestalten.
Abschnitt 8 ist dem umweltoptimierten Flugzeugentwurf unter Berücksichtigung der wichtigsten Entwurfsparameter bezogen auf Umweltaspekte gewidmet.
Abschnitt 9 widmet sich den möglichen Auswirkungen von neuen Flugzeugentwürfen auf den Treibhauseffekt anhand von beispielhaften, fiktiven Konfiguration Abschnitt 10 gibt eine Zusammenfassung dieser Projektarbeit wieder.
Abschnitt 11 gibt eine abschließende Bemerkung zum Projektthema
Anhang A gibt einen Vergleich von Einzelschallquellen (Flugzeugen, Kraftfahrzeugen, Hochgeschwindigkeitszügen)
Anhang B zeigt die Lärmpegel verschiedener Flugzeugtypen gemäß Lärmzertifizierung nach ICAO-Anhang 16
Anhang C stellt Footprints unterschiedlicher Flugzeugtypen dar
Anhang D zeigt ein Berechnungsbeispiel der NO2-Emissionsbelastung in Zürich Anhang E veranschaulicht die Verbrennungsprodukte eines Turbofantriebwerkes
Anhang F zeigt das Potential der Metalltechnologie im Bezug auf die Gewichtsredu-zierung auf und zeigt verbundwerkstoffgerechte Konstruktionen
Anhang G zeigt aktuelle Fragestellungen des Flugzeugentwurfes und mögliche zukünf-tige Flugzeugkonfiguration
Anhang H gibt einen Vergleich zwischen den nationalen und internationalen Emissi-onszielen der verschiedenen Programme
1.5 Literaturübersicht
Viele Informationen, die in dieser Arbeit erfasst sind, sind aus dem Internet entnommen.
Der IPCC Bericht (IPCC 1999) “Aviation and the Global Atmosphere. A Special Report of IPCC Working Groups I and III“ von 1999 enthält viele Informationen über die Auswirkungen von Emissionen auf die Atmosphäre. Es wird detailliert beschrieben, welche Wirkung von welchen Quellen und Schadstoffen ausgeht. Neben den in diesem Bericht aufgenommenen Informationen enthält der IPCC Bericht weitere Hintergrundinformationen.
Der IPCC Bericht (IPCC 2007) „Vierter Sachstandsbericht des IPCC (AR4) - Klimaänderung 2007 - Zusammenfassungen für politische Entscheidungsträger“ enthält aktuelle Forschungs-ergebnisse zum Klimawandel. Diese Zusammenfassung ist sehr gut geeignet um sich in relativ kurzer Zeit einen guten Überblick zu verschaffen. Neben den in diesem Bericht verarbeiteten Informationen, enthält die Zusammenfassung weitere Aspekte.
Eine sehr gute und informative Quelle ist der Abschlussberichtes des DLR Projektes „Leiser Flugverkehr“ (DLR 2004). In dem Bericht werden alle Aspekte des Bereiches Fluglärm ange-sprochen. Die Auswirkungen auf den Organismus werden ebenso beschrieben, wie Lärmquel-len und die dazu gehörenden technischen und operativen Lösungsansätze. Des Weiteren sind numerische Simulationsprogramme beschrieben, die dazu dienen, den Flugverkehr der Zu-kunft zu design, um ihn so leiser zu gestalten. Der Bericht enthält viele weitere Details, die nicht in diese Arbeit mit aufgenommen werden konnten.
Der Bericht "Air Travel – Greener by Design The Technology Challenge” der Society of Bri-tisch Aerospace Companies (SoBAC 2001) beschreibt zuerst die Quellen und die daraus re-sultierenden Effekte des Klimawandel. Des weiteren sind in dem Bericht die möglichen Aus-wirkungen von zukünftigen Flugzeugkonfigurationen mit neunen Technologien beschrieben.
Es sind dreizehn verschiedene Konfigurationen beschrieben, unter denen auch einige sehr zukunftsweisende Konzepte zu finden sind. Im Bericht werden viele allgemeine Zusammen-hänge im Bezug au den umweltfreundlichen Entwurf genannt und erläutert, welche nicht komplett in dieser Arbeit genannt werden.